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博客

HUB類器官的開發

2020-02-28

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回顧HUB類器官的開發和使用,從Clevers實驗室首次發現Lgr5,到導致如今廣泛使用的模型特征和數據。

類器官的歷史

自20世紀70年代后期以來,研究人員一直試圖建立健康人體細胞的長期體外培養物,以研究人體發育和形態發生。在KnoblichSasai的開創性著作之后,“類器官”一詞變得越來越流行。目前,它用于表示源自成體、胚胎或誘導性多能干細胞的3D細胞模型,這些模型在體外得以維持,并產生微型器官。

類器官是唯一能忠實體現原組織生理學的體外技術,可為藥物開發和組織工程等應用提供快速且經濟高效的模型。

成體干細胞鑒別

人們一直普遍認為,受損后器官再生必需要有具有自我更新和分化特性的細胞池。然而,由于缺乏干細胞特異性生物標志物,成體干細胞(aSCs)的鑒別長期以來難以實現。

隨著Clevers實驗室發現Lgr5作為小腸的成體干細胞生物標志物,突破隨之而來。這一發現是Hubrecht Organoid Technology(HUB)掌握的新技術開發和aSC來源的類器官大規模生產的踏腳石。

該開創性論文發表使用基因敲入小鼠模型結合對腸道內穩態和癌癥調節的深入了解,將Lgr5+細胞鑒別為小腸和結腸的干細胞。進一步的研究表明,Lgr5是上皮起源的多個器官(例如胃、肝和胰腺)中的干細胞標記物。

類器官發展

鑒別腸道aSC后,Clevers實驗室從單個Lgr5+干細胞開始建立了體外腸道類器官培養物。每個干細胞均于獨立環境培養運作,以生成自組織的上皮結構,該結構類似于正常腸道,可以連續擴增,并且可以長期培養。這些擴增的隱窩細胞經歷多次隱窩裂變事件,生成包含分化細胞類型的絨毛樣上皮域。aSC來源的類器官遺傳型和表型均非常穩定,并且可以傳代很多年。

為了證明在培養時的穩定性,從單個Lgr5結腸干細胞中生長出大量類器官,并將其原位移植到腸道損傷的結腸炎模型中。類器官易于整合為功能性腸上皮斑塊,與周圍正常上皮沒有區別。

原類器官方法適用于從許多不同器官生成類器官。使用此技術來生長微型器官所需的組分相當保守,包括:

  • Wnt的強大來源,因為Wnt通路已成為維持干細胞命運和驅動干細胞增殖的關鍵因素
  • 酪氨酸蛋白激酶受體信號傳導的有效激活劑,例如EGF,對干細胞產生促有絲分裂作用
  • 抑制通常會促進分化的BMP/Tgfb信號
  • 基質膠模擬細胞外環境

初生組織的小片段也可用作類器官發育的起始材料。這可能是因為組織裂解和在調節的培養基中培養可以模擬體內損傷反應的環境。這可以使已分化的細胞恢復為干細胞狀態。

開發人體組織的生物樣本活庫

一旦建立了“正常”組織類器官的方案,HUB和其他研究中心的科學家就對該技術進行了改進,從原發性人 結腸前列腺胰腺 癌中生長類器官。

HUB研究人員首次報告了大型結直腸癌(CRC)腫瘤類器官庫的生成,該庫被定義為患者來源類器官(PDO)的“生物樣本活庫”。PDO為功能性藥物測試提供了獨特機遇,例如敏感性篩選以及將治療數據與單個腫瘤的遺傳組成相關聯。

HUB腫瘤類器官:穩健且可重現的體外模型

如今,HUB研究人員已經優化了從健康和患病組織中獲取和維持3D離體類器官的方案,并由多個器官開發了大型PDO生物樣本活庫。HUB類器官已成為腫瘤藥物開發的穩健臨床前平臺,Clevers實驗室/HUB方案被其他研究小組廣泛使用和發表。這是由于HUB類器官的許多功能和應用導致。例如,類器官穩定性是HUB研究人員用來開發大規模藥物篩選之等應用的關鍵方面。

HUB腫瘤類器官還密切體現了原腫瘤的多種特性,例如基因擴增、體細胞拷貝數和突變。每個類器官代表其親代患者腫瘤,并保持遺傳和表型特征。從連續20例結直腸癌患者中建立的腫瘤類器官 顯示出其密切模仿了原腫瘤的多種特性。

CRC類器官的生物樣本活庫中的遺傳信息也完整無缺。該遺傳信息與之前CRC的大規模突變分析相符,表明腫瘤類器官代表了CRC主要分子亞型。這些特征意味著HUB類器官對于進行高通量藥物篩選以研究基因藥物關聯并補充細胞系和異種移植研究是理想選擇。

來自轉移性結直腸癌患者的HUB類器官生物樣本活庫的表型和遺傳圖譜顯示出與原患者腫瘤的相似度。在藥物篩選中使用這些類器官表明,對一種藥劑的反應或無反應與類器官分子特征有關。

其他研究也在臨床試驗中比較了離體類器官、基于PDO的原位小鼠異種移植腫瘤模型和癌癥患者的反應。這些數據表明,PDO在臨床上忠實地體現了患者反應,并有潛力用作藥物篩選平臺。

總結

HUB方案為類器官的開發提供了堅實基礎,為模型開發提供了強大的科學背景。通過建立類器官,科學家可以替換2D常規的、同質性細胞培養物,并將該平臺用作更昂貴、更耗時的動物研究的墊腳石。HUB腫瘤類器官已成為預測患者臨床轉歸的可靠臨床前模型,為藥物開發計劃提供了更強的腫瘤學模型選擇。

Topics: Oncology

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